功率模块实现电池与电机之间的电能变换,是电动汽车的心脏。然而,由于更高的芯片电流密度和更小的封装尺寸,车用功率模块的热通量,是常规功率模块的3~5倍。此外,车用功率模块普遍采用六合一封装结构,功率模块和冷却流道较长,各芯片之间的冷却条件差异较大、热应力极不均衡,降低了功率模块的可靠性。高热通量和不均衡热应力,给车用功率模块的热管理提出了严峻挑战。因此,研究先进的热管理方法,降低车用功率模块的结-流热阻和结温峰值,均衡芯片之间的换热路径和结温分布,提高车用电机控制器的功率密度和可靠性,具有重要的学术价值和工业价值。车用功率模块的热管理方法,经历了强迫风冷、间接水冷和直接水冷的发展历程,形成了以Pin-Fin直接水冷为代表的主流技术。然而,以Hybrid Pack Drive封装的车用功率模块为例,不同公司商业化产品的热性能差异巨大,换热结构和冷却流道的优化设计,缺乏理论方法指导和关键技术支撑。因此,本文针对车用功率模块的强化换热方法,开展了较为深入的研究,在Pin-Fin排列布局优化、Pin-Fin形貌结构设计和下一代冲击射流散热器等方面,取得了创新性研究成果。首先,在Pin-Fin的排列布局优化方面,提出了一种基于响应面方法的PinFin排列布局设计方法。计及Pin-Fin的直径、间距和高度,建立了Pin-Fin散热器的定量描述模型和换热模型,分析了Pin-Fin参数对散热器结-流热阻和进-出水口压降的影响规律,基于单因素分析与响应面模型,构建了Pin-Fin的性能表征方法,以热阻和压降协同最小为目标,建立了Pin-Fin排列布局的优化设计方法,采用金属3D打印技术,研制了优化前后Pin-Fin散热器样机,采用实验结果,验证了模型和方法的有效性,可以降低芯片峰值结温7.8℃,电机控制器寿命提升到1.8倍。其次,在Pin-Fin的形貌结构设计方面,建立了Pin-Fin形貌的数学描述,深入对比评估了7种不同Pin-Fin散热器的综合性能。针对Pin-Fin齿形的截面形貌,基于贝塞尔曲线函数,建立了Pin-Fin的结构描述方程和拓扑优化方法。以圆形、菱形、水滴形、矩形、三角形、梭形、椭圆形等Pin-Fin形貌结构为例,采用金属3D打印技术,研制了多款Pin-Fin散热器样机,采用实验结果,分析验证了不同Pin-Fin形貌结构的换热性能,发现水滴形Pin-Fin具有更低的结-流热阻,可以降低芯片峰值结温1.8℃,电机控制器寿命提升到1.25倍。最后,针对Pin-Fin散热器优化的技术瓶颈,提出了冲击射流散热器的优化设计方法。由于Pin-Fin散热器结-流热阻优化有限,且难以实现芯片结温均衡的问题,研究了车用功率模块的冲击射流散热器,建立了冲击射流散热器的热阻模型,以射流孔径、距离和位置为优化对象,以功率模块的结-流热阻最小、多芯片结温均衡为目标,提出了非均匀孔径的冲击射流散热器设计方法,研制了冲击射流散热器样机,采用实验结果,验证了所提散热器在降低芯片结温和抑制结温不均衡方面的优异性能,可以降低芯片峰值结温12.3℃,电机控制器寿命提高到约3.5倍。